新工科背景下《工程金屬材料》課程教學(xué)改革探索

王倩倩　沈?qū)汖?/p>

【摘 要】中國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略需求推動(dòng)了“新工科”的產(chǎn)生。在此背景下，本文從教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)手段創(chuàng)新以及教師教學(xué)素質(zhì)提升三個(gè)方面，探討適應(yīng)“新工科”人才培養(yǎng)體系的《工程金屬材料》課程教學(xué)改革。本文提出該課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)平衡廣度與深度，緊密結(jié)合最新工程實(shí)踐;課堂教學(xué)應(yīng)靈活運(yùn)用多媒體并且引導(dǎo)學(xué)生走上講臺(tái);各高?？赏ㄟ^(guò)選派教師進(jìn)入企業(yè)進(jìn)修實(shí)習(xí)，以及組織相關(guān)領(lǐng)域教師定期交流等提高教師教學(xué)素質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】新工科;工程金屬材料;教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)： G642;TG1-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0111-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.053

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)制造業(yè)迅猛發(fā)展，目前已成為世界上制造業(yè)規(guī)模最大的國(guó)家，出口產(chǎn)品穩(wěn)居世界第一。制造業(yè)的蓬勃發(fā)展對(duì)于提升我國(guó)國(guó)際影響力功不可沒(méi)。但是，目前為止中國(guó)制造業(yè)仍然存在不可忽視的問(wèn)題，，自主創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、資源利用效率、信息化程度、質(zhì)量效益等方面與世界發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)相比有較大差距，亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展。2015年，為了促進(jìn)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變，中國(guó)政府頒布了第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)《中國(guó)制造2025》，并提出了通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)要健全完善中國(guó)制造從研發(fā)、轉(zhuǎn)化、生產(chǎn)到管理的人才培養(yǎng)體系[1]。我國(guó)傳統(tǒng)工科人才培養(yǎng)體系中，學(xué)科培養(yǎng)方向較為單一，并且實(shí)用性不足，無(wú)法滿足建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的需求。針對(duì)此問(wèn)題，教育部于2017年頒布了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，將目前高校設(shè)置的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全工程、網(wǎng)絡(luò)與信息工程、功能材料、新能源等專(zhuān)業(yè)納入“新工科”的范疇，通過(guò)對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案的整理，建設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，以材料、信息、能源等領(lǐng)域?yàn)橹鞲傻摹靶鹿た啤睂?zhuān)業(yè)，注重電子、信息、軟件等新技術(shù)與傳統(tǒng)工科專(zhuān)業(yè)的緊密結(jié)合，強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性。材料科學(xué)作為機(jī)械、信息、電子等學(xué)科的基礎(chǔ)，是“新工科”建設(shè)的重中之重[2]。

《工程金屬材料》是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心課程之一，主要面向高等學(xué)校非材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)工科學(xué)生，例如能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)，機(jī)械科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)等。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使得非材料專(zhuān)業(yè)工科學(xué)生熟悉金屬材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系及變化規(guī)律，依據(jù)實(shí)際工作狀況要求，初步具有金屬材料的選型、以及正確選擇一般零件熱處理方法的能力。課程根據(jù)與材料相關(guān)工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的要求，以及金屬材料的發(fā)展趨勢(shì)設(shè)置，內(nèi)容涉及《材料科學(xué)基礎(chǔ)》、《金屬熱處理》和《材料力學(xué)性能》等，知識(shí)面覆蓋廣、理論體系復(fù)雜、綜合實(shí)踐性強(qiáng)。該課程對(duì)培養(yǎng)高質(zhì)量實(shí)用型、交叉型和綜合型人才，促進(jìn)“新工科”的發(fā)展具有重要作用。然而，目前該課程實(shí)際教學(xué)過(guò)程中還存在一定問(wèn)題，包括教學(xué)內(nèi)容陳舊，教學(xué)手段單一，教師教學(xué)素質(zhì)有待提高等。因此，本文以東南大學(xué)面向能源與環(huán)境學(xué)院開(kāi)設(shè)的《工程金屬材料》課程為例，從教學(xué)內(nèi)容整合、教學(xué)手段創(chuàng)新以及教師教學(xué)素質(zhì)提升等方面，探索“新工科”背景下面向非材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)工科學(xué)生的金屬材料相關(guān)課程教學(xué)改革。

1 教學(xué)內(nèi)容整合

1.1 教學(xué)內(nèi)容廣度與深度的平衡

《工程金屬材料》以電廠常用金屬材料的組織及性能為主線，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電廠用金屬材料失效事故分析及處理的工程實(shí)踐能力。課程大綱要求的教學(xué)內(nèi)容包括金屬材料緒論（常用性能及指標(biāo)、晶格類(lèi)型及結(jié)晶過(guò)程）、鐵碳相圖及其合金、鋼的熱處理、合金鋼、耐熱鋼、有色金屬及其合金、鍋爐及汽輪機(jī)主要零部件用鋼、鍋爐與汽輪機(jī)用鋼事故分析等，涵蓋了材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)多門(mén)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，知識(shí)面覆蓋廣，理論體系復(fù)雜，并且授課對(duì)象是沒(méi)有材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的能源與環(huán)境專(zhuān)業(yè)學(xué)生，而培養(yǎng)大綱規(guī)定本課程只有32課時(shí)。因此，要使學(xué)生在有限的課時(shí)中既掌握金屬材料相關(guān)知識(shí)，也能在實(shí)踐中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行材料選用及失效事故分析等，教學(xué)內(nèi)容的選擇尤為關(guān)鍵，不僅要覆蓋主要知識(shí)點(diǎn)，也要有一定的理論深度。

教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有主次之分，重點(diǎn)內(nèi)容詳細(xì)講解，次要內(nèi)容只需在課堂上提煉概括。金屬材料組織與性能對(duì)于材料的選用極其重要，可利用較多課時(shí)進(jìn)行深入詳細(xì)講解，這部分內(nèi)容包括晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶過(guò)程、鐵碳相圖及其合金、鋼的熱處理、材料的力學(xué)性能等。晶體結(jié)構(gòu)決定宏觀性能，深入淺出講解晶體的常見(jiàn)原子排列方式，使學(xué)生充分理解常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響，晶體結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響，金屬材料結(jié)晶過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力及影響因素等。鐵碳相圖是理解鋼鐵材料組織與性能的基礎(chǔ)，學(xué)生應(yīng)在理解的基礎(chǔ)上熟悉不同碳含量及熱歷史的鐵碳合金平衡組織。熱處理是金屬材料制備的重要過(guò)程，決定了材料的最終使用性能，從不同升溫/冷卻過(guò)程中原子擴(kuò)散的角度幫助學(xué)生理解熱處理“四把火”對(duì)金屬材料組織與性能的影響。不同體系鋼/有色合金也是《工程金屬材料》課程包含的內(nèi)容，主要介紹各體系金屬材料成分、分類(lèi)、編號(hào)方式、性能及應(yīng)用領(lǐng)域，屬于記憶性知識(shí)點(diǎn)，不應(yīng)占用過(guò)多課時(shí)，而應(yīng)以學(xué)生課后自學(xué)為主。此外，本課程還包括鍋爐與汽輪機(jī)用鋼及事故分析，該部分內(nèi)容列舉實(shí)際案例，分析失效原因，并提出解決方法。然而教材上提供的案例年代久遠(yuǎn)，與當(dāng)前實(shí)際缺乏聯(lián)系。教師可根據(jù)近期實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的案例，提出實(shí)際問(wèn)題，安排學(xué)生分組討論，運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)分析失效原因并提出解決方案，加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解。

1.2 教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合最新工程實(shí)踐

《工程金屬材料》課程使用的教材是由宋琳生主編的普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材《電廠金屬材料》，該課程在編寫(xiě)的過(guò)程中引入了大量電廠實(shí)際案例，幫助學(xué)生深入理解課程內(nèi)容。然而，該教材1990年第一版出版至今已近三十年，教學(xué)內(nèi)容陳舊，雖然本課程使用的是2013年出版的第四版，但大部分內(nèi)容仍與第一版相同，無(wú)法幫助學(xué)生了解最新工程實(shí)踐情況。因此，教師備課時(shí)不能只準(zhǔn)備教材內(nèi)容，還應(yīng)通過(guò)查閱文獻(xiàn)、與其他教師或工程師交流等方法，了解最新工程實(shí)踐金屬材料選用或使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法，加以整理，引入教學(xué)內(nèi)容。最新工程實(shí)踐問(wèn)題也能更大程度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高課堂效率。

2 教學(xué)手段創(chuàng)新

2.1 靈活運(yùn)用多媒體手段

“教育改變?nèi)松?，網(wǎng)絡(luò)改變教育”。信息技術(shù)的發(fā)展影響了人們生活的方方面面，也包括高等教育教學(xué)。東南大學(xué)每年都立項(xiàng)改善教室教學(xué)環(huán)境，目前每間教室都配備有完備的多媒體系統(tǒng)，包括投影儀、電腦、話筒及攝像機(jī)，為教師提供多媒體教學(xué)的各種硬件設(shè)備。信息網(wǎng)絡(luò)提供了大量工程實(shí)踐素材，教師備課時(shí)不應(yīng)拘泥于教材及書(shū)本，可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取實(shí)際工程案例，參考相關(guān)課件，豐富、完善教學(xué)內(nèi)容;學(xué)習(xí)精品課程名師教學(xué)視頻，提高授課水平;收集精彩工程應(yīng)用或動(dòng)畫(huà)視頻，挑選與課程高度契合的視頻在課堂上展示，讓學(xué)生“親眼所見(jiàn)”，加深對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的理解。

《工程金屬材料》課程涉及大量鋼鐵企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)工藝，如鑄造、鍛造、焊接、熱處理等，受場(chǎng)地等條件限制，課堂教學(xué)無(wú)法讓學(xué)生切身體會(huì)這些工藝，不利于對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解。材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)一般會(huì)組織學(xué)生到相應(yīng)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)，實(shí)際參觀學(xué)習(xí)這些工藝。對(duì)于非材料專(zhuān)業(yè)的工科學(xué)生，由于主要專(zhuān)業(yè)內(nèi)容不是金屬材料，較少有機(jī)會(huì)去相關(guān)企業(yè)參觀實(shí)習(xí)。虛擬仿真軟件提供方便、快捷、高效的“身臨其境”的鋼鐵生產(chǎn)工藝學(xué)習(xí)手段，能將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度有效拓展，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間，并且大幅提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平，是課堂教學(xué)的有力輔助。根據(jù)教育部發(fā)布的《2017-2020年示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃》，由教育部支持建設(shè)了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目集中展示共享的平臺(tái)---實(shí)驗(yàn)空間。該平臺(tái)上展示了多學(xué)科虛擬仿真教學(xué)軟件，其中包括模擬金屬材料制備過(guò)程的“金屬高壓鑄造技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等。學(xué)生可在教師的指導(dǎo)下，充分利用該平臺(tái)上的模擬仿真軟件，彌補(bǔ)無(wú)法親臨工廠一線參觀實(shí)習(xí)的不足。

2.2 引導(dǎo)學(xué)生走上講臺(tái)

傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽(tīng)”課堂教學(xué)模式不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力[3]。對(duì)于部分結(jié)合實(shí)際案例的章節(jié)，例如鍋爐與汽輪機(jī)用鋼事故分析等，可引導(dǎo)學(xué)生上臺(tái)主講。將學(xué)生分為若干小組，每個(gè)小組指定一個(gè)相關(guān)項(xiàng)目，各組學(xué)生分工合作，查閱文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)匯報(bào)課件，按照“分析問(wèn)題-解決問(wèn)題-總結(jié)經(jīng)驗(yàn)”的思路在課堂上匯報(bào)。教師根據(jù)各組的匯報(bào)情況，進(jìn)行總結(jié)和點(diǎn)評(píng)，并結(jié)合課程內(nèi)容提出一些問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考。這種引導(dǎo)學(xué)生走上講臺(tái)的授課方式，不僅促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考，鍛煉發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高了學(xué)生分工協(xié)作及設(shè)計(jì)、制作課件的能力[4]。

3 教師教學(xué)素質(zhì)的提升

3.1 選派教師進(jìn)入企業(yè)進(jìn)修實(shí)習(xí)

培養(yǎng)實(shí)用型高級(jí)人才，離不開(kāi)具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的教師。大部分高校教師長(zhǎng)期從事科研教學(xué)工作，理論知識(shí)豐富，但是工廠實(shí)踐機(jī)會(huì)較少或者幾乎沒(méi)有。教學(xué)內(nèi)容需要聯(lián)系工程實(shí)際時(shí)，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只能從網(wǎng)絡(luò)或書(shū)本上獲取相關(guān)案例，根據(jù)自己的理解向?qū)W生講述，很難做到生動(dòng)有趣，鞭辟入里。因此，選派課程授課教師，定期進(jìn)入企業(yè)進(jìn)修，深入生產(chǎn)第一線，參與解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中結(jié)合書(shū)本上的理論知識(shí)，深入理解鋼的熱處理，鐵碳相圖等，了解產(chǎn)業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，不斷更新教學(xué)內(nèi)容。有了實(shí)際企業(yè)實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的教師，在課堂上能更加繪聲繪色，有的放矢，吸引學(xué)生注意力，提高課堂效率。

3.2 相關(guān)領(lǐng)域教師定期交流

大部分高校，尤其是一流高校，對(duì)科研的重視遠(yuǎn)高于教學(xué)，因此高校教師在科研領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流頻繁，然而教學(xué)方面的學(xué)術(shù)交流較少，不利于提高教師教學(xué)素質(zhì)，提升課堂教學(xué)水平[5]。因此，高校應(yīng)有組織地定期舉辦本校《工程金屬材料》及其他相關(guān)材料科學(xué)、能環(huán)工程課程教師座談會(huì)，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段方法等展開(kāi)交流，不斷完善各課程教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)方法。積極與其他一流高校相關(guān)課程任課教師交流，汲取成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本校實(shí)際予以運(yùn)用。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的整合，教學(xué)手段的創(chuàng)新以及教師教學(xué)素質(zhì)的提升，《工程金屬材料》課程有望為國(guó)家培養(yǎng)實(shí)踐型、交叉型及綜合型的高素質(zhì)人才添磚加瓦，促進(jìn)“新工科”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為中國(guó)實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想貢獻(xiàn)力量。

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